Determining the Aerodynamic Characteristics of a Propeller-Driven Anti-UAV Fighter While Designing Air Propellers

• Autorzy: Loginov Vasyl , Ukrainets Yevgen , Popov Viktor , Spirkin Yevgen

Identyfikatory

DOI

10.2478/tar-2021-0023

Warianty tytułu

PL

Metoda wyznaczenia charakterystyk aerodynamicznych myśliwca anty-dronowego z napędem śmigłowym podczas projektowania śmigieł

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Given the rising importance of unmanned aerial vehicles (UAVs), this article addresses the urgent scientific problem of determining the aerodynamic characteristics of a UAV while laying out the propellers for the wings. We discuss the methodology for experimental wind-tunnel studies of aircraft configurations with propellers. It is shown that a characteristic feature of the configuration small-elongation wing with propellers is the absence of elements that are not affected by propellers. This feature makes it difficult to implement and automate a wind tunnel experiment, since there are problems with providing similar criteria for a working propeller; it is difficult to achieve perfect balancing for solid drive propellers, which causes vibration, the level of which depends on uncontrolled factors; the inability to neglect the presence of the body elements influence to the blades of propellers; the difficulty of direct measuring propeller thrust and torque. The presented methodology involves the integrated usage of experimental and numerical methods to eliminate the difficulties in conducting physical experiments in a wind tunnel. This approach makes it possible to combine the high credibility of experimental data in the study of the physical essence of phenomena with high efficiency and accuracy in determining aerodynamic characteristics by numerical methods. Using this approach, we established dependences of the aerodynamic characteristics of the small-elongation wing configuration with counter-rotating propellers on the geometric and kinematic parameters of the configuration for other extensions and constrictions of the wings. These data can serve as the basis for the development of recommendations for the selection of sensible geometric parameters of the aerodynamic configuration of a small-elongation wing with counter-rotating propellers.

PL

W artykule podjęto problem wyznaczania charakterystyk aerodynamicznych podczas projektowania śmigieł do skrzydeł małych bezzałogowych statków powietrznych (UAV). Omówiono metodykę eksperymentalnych badań nad różnymi konfiguracjami statków ze śmigłami w tunelu aerodynamicznym. Wykazano, że konfiguracje skrzydła o małym wydłużeniu ze śmigłami charakteryzują się brakiem elementów, na które śmigła nie mają wpływu. Cecha ta utrudnia realizację i automatyzację eksperymentów w tunelu aerodynamicznym, powodując problemy z zapewnieniem podobnych warunków do pracy śmigła, trudność w uzyskaniu idealnego wyważenia dla śmigieł z napędem stałym, drgania, których intensywność zależy od niekontrolowanych czynników, niemożność pominięcia obecności elementów nadwozia oddziałujących na łopaty śmigieł oraz trudność bezpośredniego pomiaru ciągu i momentu obrotowego śmigła. Przedstawiona metodyka polega na zintegrowanym wykorzystaniu metod eksperymentalnych i numerycznych w celu wyeliminowania trudności w przeprowadzaniu eksperymentów w tunelu aerodynamicznym. Takie podejście pozwala na połączenie wysokiej wiarygodności danych doświadczalnych w badaniu fizycznej istoty zjawisk z wysoką efektywnością i dokładnością wyznaczania charakterystyk aerodynamicznych metodami numerycznymi. Ustalono zależności charakterystyk aerodynamicznych konfiguracji skrzydła o małym wydłużeniu ze śmigłami przeciwbieżnymi od parametrów geometrycznych i kinematycznych konfiguracji dla innych wydłużeń i zwężeń skrzydeł. Wyniki te mogą stanowić podstawę do opracowania zaleceń dotyczących doboru racjonalnych parametrów geometrycznych konfiguracji aerodynamicznej skrzydła o małym wydłużeniu ze śmigłami przeciwbieżnymi.

Słowa kluczowe

EN

unmanned aerial vehicle; fighter; aerodynamic characteristics; aerodynamic configuration; propeller; propeller regulator

PL

bezzałogowy statek powietrzny; myśliwiec; charakterystyka aerodynamiczna; konfiguracja aerodynamiczna; śmigło; regulator śmigła

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Sieci Badawczej Łukasiewicz - Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Transactions on Aerospace Research
• Rocznik: 2021
• Tom: Nr 4 (265)
• Strony: 53--67
• Opis fizyczny: Bibliogr. 33 poz., fot., rys., wzory

Twórcy

autor

Loginov Vasyl

• JSC FED, 132 Sumska Str., Kharkiv, 61023, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0003-4915-7407

autor

Ukrainets Yevgen

• Ivan Kozhedub Kharkiv National Air Force University, 77/79 Sumska Str., Kharkiv, 61023, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0002-7674-0588

autor

Popov Viktor

• JSC FED, 132 Sumska Str., Kharkiv, 61023, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0001-9189-6882

autor

Spirkin Yevgen

• Ivan Kozhedub Kharkiv National Air Force University, 77/79 Sumska Str., Kharkiv, 61023, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0003-2924-0545

Bibliografia

• [1] Sagalovich, A.V., Kononikhin, A.V., Popov, V.V., Dudnik, S.F., Sagalovich, V.V., 2011, “Eksperimental’nyye issledovaniya pokrytiy tipa Avinit” [Experimental studies of Avinit type coatings], Aviacionno-Kosmicheskaya Tekhnika i Tekhnologiya, 3, pp. 5-15. http://nbuv.gov.ua/UJrN/aktit_2011_3_3.
• [2] Sagalovich, O.V., Kononikhin O.V., V.V. Popov, 2010, “Ustanovka Avinit dlya naneseniya mnogoslojnyh funkcional’nyh pokrytij” [Avinit installation for application of multilayer functional coverings], Physical Surface Engineering, 8, pp. 336-347. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98914 .
• [3] Sagalovich, A.V., Kononikhin, A.V., Popov, V.V., 2011, “Issledovanie tribologicheskih harakteristik mnogoslojnyh pokrytij MO-S, poluchennyh gazofaznym metodom s ispol’zovaniem metalloorganicheskih soedinenij” [Study of the multilayer MO-C coatings tribological characteristics obtained by the gas-phase method using organometallic compounds], HNADU Bulletin, 54, pp. 44-51.
• [4] Fetisov, V.S., Neugodnikova, L.M., Adamovskii, V.V., Krasnoperov R.A., 2014, Bespilotnaya aviaciya: terminologiya, klassifikaciya, sovremennoe sostoyanie [Unmanned aircraft: terminology, classification, current state], Ufa, FOTON.
• [5] Bashinskij, V.G., Bzot, V.B., Zhilin, E.I., Katunin, A.N., Leont’ev, A.B., Ryb’yak, A.S., Ukrainec, E.A., Hrapchinskij, V.O., Hudov G.V., 2014, Malogabaritnye bespilotnye aviacionnye kompleksy (monografiya) [Small-sized unmanned aerial systems (monograph)]. Zaporizhzhia, “JSC Motor Sich”, p. 262. http://www.hups.mil.gov.ua/periodic-app/monograph/2014/85.
• [6] Rankine, W.J., 1865, On the Mechanical Principles of the Action of Propellers, 4th ed., Transactions of the Institute of Naval Architects, pp. 13-39. https://www.worldcat.org/title/on-the-mechanical-principles-of-the-action-of-propellers/oclc/40237703.
• [7] Gubskij, V.V. 2017, Interferenciya vozdushnyh vintov s elementami planera i mekhanizaciej kryla legkogo transportnogo samoleta na rezhimah vzleta i posadki [Interference of propellers with airframe elements and wing mechanization of a light transport aircraft in take-off and landing modes], Ph.D. thesis,TsAGI, Zhukovsky, Chap. 5, pp. 82-96. https://www.dissercat.com/content/interferentsiya-vozdushnykh-vintov-s-elementami-planera-i-mekhanizatsiei-kryla-legkogo-trans.
• [8] Wood, D.H, Bioletti, C., 1934, Tests of Nacelle-Propeller Combinations in Various Positions with Reference to Wings. Part VI. Wings and Nacelles with Pusher Propeller. NACA TR-507, pp. 619-649.
• [9] Borin, A.A., 1970, Vliyanie obduvki chastej samoleta struej ot vinta na harakteristiki vzleta i razbega [Influence of propeller jet blowing of aircraft parts on take-off and take-off run characteristics], TsAGI, Zhukovsky, 1278, p. 16.
• [10] Zolotko, E.M., 1984, Pod”emnaya sila kryla, obduvaemogo struej ot vintov, pri izmenenii koefficienta nagruzki na ometaemuyu vintom ploshchad’ ot 0 do ∞ [The lifting force of the wing blown by the jet from the propellers, when the load factor on the propeller-swept area changes from 0 ti ∞], TsAGI, Zhukovsky, 2235, pp. 3-10.
• [11] Naumov, S.Y., Pustovoitov, V.P., Rudenia, V.I., 1971, Metodika rascheta vliyaniya vozdushnyh vintov na aerodinamicheskie harakteristiki samoleta [Method for calculating the propellers effect on the aerodynamic characteristics of an aircraft], TsAGI, Zhukovsky, 1312, p. 40.
• [12] Ukrainets, E.A., 1998, Aerodinamicheskie harakteristiki nesushchih sistem letatel’nyh apparatov s soosnymi vintovymi dvizhitelyami [Aerodynamic characteristics of the aircraft bearing systems with coaxial propellers] Ph.D. thesis, National Aviation University, Kyiv, p. 148. http://lawdiss.org.ua/ard/99ueosgr.shtml.
• [13] Myrhorod, Y.I., Kalkamanov, S.A., Ukrainets, E.A., 1998, “Doslidzhennia vplyvu kilkosti lopatei na stupin nestatsionarnosti strumenia za hvyntovym rushiiem” [Investigation of the influence of the number of blades on the degree of non-stationarity of the jet on the propeller], Zbirnyk. nauk. prats Kharkivskogo instituty liotchkiv, 2, pp. 44-47.
• [14] Gotsak, V.V., Ukrainets, E.A., 2003, “Metodyka rozrakhunku aerodynamichnykh kharakterystyk skladnykh komponuvan” [Method of calculating the aerodynamic characteristics of complex configurations], Zbirnyk. nauk. prats Kharkivskogo instituty liotchkiv, 1(9), pp. 11-16.
• [15] Deryshev, S.G., 2000, Aerodinamicheskaya interferenciya vozdushnyh vintov i planera dvuhdvigatel’nogo samoleta [Aerodynamic interference of propellers and glider of a twin-engine aircraft], Ph.D. thesis, Siberian research Institute of Aviation, p. 171. https://www.dissercat.com/content/aerodinamicheskaya-interferentsiya-vozdushnykh-vintov-iplanera-dvukhdvigatelnogo-samoleta.
• [16] Lemko, O.L., 2002, “Letayushchie kryl’ya” [Flying wings - History and Possible Ways of Development], NTs VVTs VCU, p. 91. https://ela.kpi.ua/bitstream/123456789/7834/1/pap_14.pdf.
• [17] Lukov, G.I., Kiseleva, A.M., 1987, “Issledovanie pri malyh skorostyah fizicheskoj kartiny raspredeleniya zavihrennosti potoka okolo modelej samoleta skhem ‘beskhvostka’ i ‘utka’ s krylom malogo udlineniya” [Physical pattern investigation at low speeds of the distribution of flow vorticity near the aircraft models of the “tailless” and “duck” schemes with a wing of small elongation], TsAGI, Zhukovsky, 2341, pp. 3-29.
• [18] Degani, D., Mareus, S.W., 1997, “Thin vs full Navier-Stokes computation for high-angle-of-attack aerodynamics” AIAA Journal, 35(3), pp. 565-567. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-1-4612-2824-0_9
• [19] Koval, M.O., Kalkamanov, S.A., Chygryn, R.M., 2004, “Aerodinamichni komponovki perspektivnih litakiv vertikal’nogo zl’otu ta posadki” [Aerodynamic layouts of promising vertical takeoff and landing aircraft], Issues of design and manufacture of aircraft structures, National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute”, 36(1), pp. 37-42.
• [20] Kalkamanov, S.A., Chygryn, R.M., 2003, “Metodika rascheta obtekaniya diskoobraznogo kryla potokom ideal’noj zhidkosti” [Method for calculating the flow of an ideal fluid around a diskshaped wing], Open information and computer integrated technologies, National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute”, 21, pp. 63-66.
• [21] Kornienko, A.P., Ukrainets, E.O., Mokry, Yu.V., 2004, “Metodyka rozrakhunku aerodynamichnykh kharakterystyk systemy arochne krylo - shtovkhaiuchyi hvynt” [Method of calculating the aerodynamic characteristics of the system arched wing - pushing propeller], Issues of design and manufacture of aircraft structures, National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute”, 39(4), pp. 71-79.
• [22] Kornienko, A.P., 2005, “Eksperimental’nye issledovaniya haraktera obtekaniya izolirovannyh pryamogo i arochnogo kryl’ev” [Experimental studies of the nature of the flow of isolated straight and arched wings], Issues of design and manufacture of aircraft structures, National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute”, 42(3), pp. 118-123.
• [23] Kornienko, A.P., 2005 “Eksperimental’nye issledovaniya kartiny raspredeleniya davleniya po poverhnosti arochnogo kryla v sisteme ‘arochnoe krylo - tolkayushchij vozdushnyj vint’” [Experimental studies of the pattern of pressure distribution on the surface of the arched wing in the system “arched wing - pushing air screw”] Zbirnyk naukovykh prats KhUPS, 5(5), pp. 10-13.
• [24] Kornienko, A.P., Leontiev, A.B., Ukrainets, E. A., 2006, “Ocenka vliyaniya otnositel’nogo polozheniya vozdushnogo vinta na aerodinamicheskie harakteristiki kombinacii “arochnoe krylo - vozdushnyj vint” [Evaluation of the influence of the relative position of the propeller on the aerodynamic characteristics of the combination “arched wing - propeller”], Information Processing Systems, Kharkiv. KhUPS, 4(53), pp. 87-94.
• [25] Kydushun, I.V., 2001, “Raritety amerikanskoj aviacii” [Rarities of American aviation], Moscow, ACT, pp. 112-147. http://loveread.ec/read_book.php?id=77533&p=22.
• [26] Ruzhitsky, E.I., 2000, “Amerikanskie samolety vertikal’nogo vzleta” [American vertical takeoff aircraft], Moscow, Astrel ACT. pp. 74-114. https://royallib.com/book/rugitskiy_evgeniy/amerikanskie_samoleti_vertikalnogo_vzleta.html
• [27] Gotsak, V.V., 2005, “Syntez metodu zburenykh potentsialiv ta metodu dyskretnykh vykhoriv dlia rozrakhunku neliniinykh nestatsionarnykh aerodynamichnykh kharakterystyk litakiv” [Synthesis of the perturbed potential method and the discrete vortex method for calculating nonlinear nonstationary aerodynamic characteristics of aircraft], Zbirnyk naukovykh prats KhUPS, Kharkiv, 3(3), pp. 29-31.
• [28] Radtsig, A.N., 2004, Eksperimental’naya gidroaeromekhanika [Experimental hydroaeromechanics], Moscow, MAI, p. 296.
• [29] Miranda, L.R. and Brennan, J.E., 1986, “Aerodynamic effects of wing tip mounted propellers and turbines”, AIAA 86(1802), pp. 221-228.
• [30] Vasin, I.S., 2010, “Issledovanie vliyaniya struj ot vozdushnyh vintov na aerodinamicheskie harakteristiki samoleta” [Study of the influence of jets from propellers on the aerodynamic characteristics of an aircraft], Scientific Bulletin MGTU GA, 151, pp. 39-43. https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-vliyaniya-struy-ot-vozdushnyh-vintov-naaerodinamicheskie-harakteristiki-samoleta/viewer.
• [31] Radtsig, A.N., Semenchikov, N.V., 1992, Model’nyj eksperiment v aerodinamicheskih trubah [Model experiment in wind tunnels], Moscow, MAI, p. 65.
• [32] Zhuravlev, V.N., 2016, Aerodinamicheskij kompleks HAI - osnovnye etapy razvitiya i nauchnoj deyatel’nosti 1950-2010 [Aerodynamic complex KhAI - the main stages of development and scientific activity 1950-2010], National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute”, p. 156. http://aoleynik.info/aerodinamicheskij-kompleks-xai/.
• [33] Kravets, A.S., 1941, Harakteristiki vozdushnyh vintov [Propeller specifications], Moscow, State Publishing House of the Defense Industry, pp. 148-151.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).